Ny enhed tilbyder hurtigere måde at opdage antibiotika-resistente bakterier

Bakterielle infektioner er blevet et af de største sundhedsproblemer i verden, og en nylig undersøgelse viser, at COVID-19 patienter har en meget større chance for at pådrage sig sekundære bakterielle infektioner, hvilket øger dødeligheden markant.

At bekæmpe infektionerne er ikke nogen let opgave, selvom. Når antibiotika er skødesløst og overdrevent ordineret, som fører til den hurtige fremkomst og spredning af antibiotika-resistente gener i bakterier - hvilket skaber et endnu større problem. Ifølge Centers for Disease Control and Prevention, 2,8 millioner antibiotika-resistente infektioner sker i USA hvert år, og mere end 35, 000 mennesker dør af dem.

En faktor, der bremser kampen mod antibiotikaresistente bakterier, er den tid, det tager at teste for det. Den konventionelle metode bruger ekstraherede bakterier fra en patient og sammenligner laboratoriekulturer dyrket med og uden antibiotika, men resultaterne kan tage en til to dage, øger dødeligheden, længden af ​​hospitalsophold og de samlede udgifter til pleje.

Lektor Seokheun "Sean" Choi – et fakultetsmedlem i Institut for Elektro- og Computerteknik ved Binghamton Universitys Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science – forsker i en hurtigere måde at teste bakterier for antibiotikaresistens.

"For effektivt at behandle infektionerne, vi skal vælge de rigtige antibiotika med den nøjagtige dosis til den passende varighed, " sagde han. "Der er et behov for at udvikle en antibiotika-følsomhedstestmetode og tilbyde effektive retningslinjer til behandling af disse infektioner."

I de seneste år, Choi har udviklet flere projekter, der krydser "papertronics" med biologi, som en, der udviklede biobatterier ved hjælp af menneskelig sved.

Denne nye forskning - med titlen "En simpel, billig, og hurtig metode til at vurdere antibiotisk effektivitet mod exoelektrogene bakterier" og offentliggjort i novembers udgave af tidsskriftet Biosensorer og bioelektronik - bygger på de samme principper som batterierne:Bakteriel elektronoverførsel, en kemisk proces, som visse mikroorganismer bruger til vækst, overordnet cellevedligeholdelse og informationsudveksling med omgivende mikroorganismer.

"Vi udnytter denne biokemiske begivenhed til en ny teknik til at vurdere antibiotikaeffektiviteten mod bakterier uden at overvåge hele bakterievæksten, " sagde Choi. "Så vidt jeg ved, vi er de første til at demonstrere denne teknik på en hurtig og høj gennemstrømningsmåde ved at bruge papir som substrat."

Arbejder med ph.d. studerende Yang Gao (der fik sin eksamen i maj og nu arbejder som postdoktor ved University of Texas i Austin), Jihyun Ryu og Lin Liu, Choi udviklede en testanordning, der kontinuerligt overvåger bakteriers ekstracellulære elektronoverførsel.

Et medicinsk team ville udtrække en prøve fra en patient, inokuler bakterierne med forskellige antibiotika over et par timer og mål derefter elektronoverførselshastigheden. En lavere sats ville betyde, at antibiotika virker.

"Hypotesen er, at den antivirale eksponering kan forårsage tilstrækkelig hæmning af den bakterielle elektronoverførsel, så udlæsningen af ​​enheden ville være følsom nok til at vise små variationer i det elektriske output forårsaget af ændringer i antibiotikaeffektivitet, " sagde Choi.

Enheden kunne give resultater om antibiotikaresistens på kun fem timer, som ville tjene som et vigtigt diagnostisk værktøj, især i områder med begrænsede ressourcer.

Prototypen – delvist bygget med finansiering fra National Science Foundation og US Office of Naval Research – har otte sensorer trykt på papiroverfladen, men det kunne udvides til 64 eller 96 sensorer, hvis læger ønskede at indbygge andre tests i enheden.

Med udgangspunkt i denne forskning, Choi ved allerede, hvor han og hans elever gerne vil hen:"Selvom mange bakterier er energiproducerende, nogle patogener udfører ikke ekstracellulær elektronoverførsel og kan muligvis ikke bruges direkte i vores platform. Imidlertid, forskellige kemiske forbindelser kan hjælpe med elektronoverførsel fra ikke-elektricitetsproducerende bakterier.

"For eksempel, E coli kan ikke overføre elektroner fra indersiden af ​​cellen til ydersiden, men med tilsætning af nogle kemiske forbindelser, de kan generere elektricitet. Nu arbejder vi på, hvordan vi kan gøre denne teknik generel for alle bakterieceller."